生物識別技術(shù)與應用

第21卷第3期佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol.21 No. 32003年9月Journal of Foshan University (Natural Science Edition)Sep.2003文章編號:1008-0171(2003)03-0066-04生物識別技術(shù)與應用朱珍,王景艷(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院信息與教育技術(shù)中心,廣東佛山528000摘要:生物識別技術(shù)可以用來(lái)鑒別身份或證明身份,主要包括虹膜識別.視網(wǎng)膜識別、面部識別.指紋識別、DNA識別、氣味識別、簽字識別和聲音識別等,其中指紋識別是最常用的一種。生物識別技術(shù)在人類(lèi)的物理生存空間和虛擬生存空間具有廣泛的應用前景。在介紹生物識別原理的基礎上,討論了兩種類(lèi)型生物識別技術(shù)，-種基于生理特征:虹膜識別.視網(wǎng)膜識別、面部識別和指紋識別;另一種基于行為特征:簽字識別和聲音識別。關(guān)鍵詞:身份驗證;生物識別;虹膜識別;視網(wǎng)膜識別;面部識別;指紋識別;簽字識別;聲音識別中圖分類(lèi)號:Q-3文獻標識碼:A .身份驗證是人們日常生活中經(jīng)常遇到的一個(gè)基本問(wèn)題,幾乎每時(shí)每刻都需要鑒定別人的身份，證明自己的身份。如:到圖書(shū)館借閱資料要出示借書(shū)證、到銀行辦理存取款需提供存折和身份證等。傳統的身份驗證方法可分為兩類(lèi),一類(lèi)為基于身份標識物品(如鑰匙、證件.銀行卡等)的驗證方法;另一類(lèi)為基于身份標識知識(如用戶(hù)名、密碼等)的驗證方法。在-些安全性要求較高的系統中,往往將這兩者結合起來(lái)。但是,標識物品容易丟失或被偽造,標識知識容易遺忘或記錯，更為嚴重的缺陷是傳統身份驗證方法往往無(wú)法區分標識物品真正的擁有者和取得標識物品的冒充者,一旦他人獲得標識物品,就可以具有與擁有者相同的權力。生物識別技術(shù)是模式識別的一個(gè)分支,并成為一種新的身份驗證手段。其根據人類(lèi)自身所固有的生理特征和行為特征來(lái)驗證身份。生理特征與生俱來(lái),多為先天性的,例如:指紋、眼睛虹膜、臉形等。行為特征則是習慣使然,多為后天性的,例如筆跡、聲音、步態(tài)等。生物識別包括虹膜識別、視網(wǎng)膜識別、面部識別、指紋識別、簽字識別、聲音識別、手形識別、步態(tài)識別及多種生物特征混合識別等諸多種類(lèi),其中，虹膜識別和指紋識別被公認為最可靠的兩種生物識別技術(shù)。1生物識別基本原理生物識別由兩個(gè)過(guò)程組成,即訓練設計與識別實(shí)現中。訓練設計指用-定數量的樣本建立標準模式庫,選定適當的識別算法、距離測度及判決準則。識別實(shí)現指將待識別的樣本所形成的未知模式與標準模式進(jìn)行匹配比較,根據測度估計及判決準則輸出身份驗證結果。生物識別系統主要由數據獲取、預處理、特征抽取、標準模式庫、測度估計和判決等六部分組成,如圖1所示。石識別1.1 數據獲取中國煤化工在住)一期決一獲取的數據有下述三種類(lèi)型:YHCNMHG1練廠(chǎng)標準(1)二維圖像:如虹膜、視網(wǎng)膜、臉部、 指紋等對象;L模式庫|(2)-維圖形:如聲音信號波形等對象;圖1生物識別系統原理框圖收稿日期:2002-12-19作者簡(jiǎn)介:朱珍(1962-),男 ,河北三河人，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授,碩士,主要從事計算機應用方面研究。第3期朱珍等:生物識別技術(shù)與 應用(3)物理參量:如簽字速度、運筆壓力等對象。通過(guò)測量、采樣和量化，用矩陣、向量或標量表示這些數據。1.2預處理預處理的目的是去除噪聲,加強有用信息,并對測量?jì)x器或其他因素所造成的退化現象進(jìn)行復原。1.3特征抽取與標準模式庫對原始數據進(jìn)行變換,得到能反映識別本質(zhì)的M個(gè)特征參數。在訓練階段由樣本所獲得的特征向量(由M個(gè)特征參數構成的M維特征空間中的一個(gè)點(diǎn))作為標準模式存入庫中。1.4測度估計與判決距離測度可以采用:歐氏距離及其變形的距離、似然比測度、隱馬爾可夫模型(HMM)之間的距離測度等?；谖粗Ｊ脚c標準模式距離測度估計值,根據若干準則及專(zhuān)家知識進(jìn)行判決,輸出身份驗證結果。2基于生理特征的生物識別2.1虹膜識別虹膜虹膜是位于眼睛瞳孔外側的環(huán)型纖維組織，每一個(gè)虹膜都包含獨-無(wú)二的基于水晶體、細絲、斑點(diǎn)、凹凸點(diǎn)、射線(xiàn)和條紋等特征的結構,如圖2所示。實(shí)踐證明，沒(méi)有任何兩個(gè)虹膜是完全-樣的,虹膜識別技術(shù)利圖2虹膜結構 .用虹膜終身不變性和差異性來(lái)驗證身份。虹膜能提供數量眾多的特征,使得虹膜識別技術(shù)是精確度最高的生物識別技術(shù)之一。通過(guò)精密攝像頭獲取虹膜圖像數據,當攝像頭對準眼睛后自動(dòng)調整焦距確定虹膜的內沿及外沿。經(jīng)預處理排除眼液和細微組織的影響后,抽取特征點(diǎn)形成虹膜代碼(risCode)作為標準模式或未知模式。虹膜識別的優(yōu)點(diǎn)是便于使用,只需用戶(hù)位于設備之前而無(wú)需物理接觸。缺點(diǎn)是很難將圖像獲取設備的尺寸小型化,投資較大。2.2視網(wǎng)膜識別視網(wǎng)膜也是-種被用于生物識別的生理特征,有些學(xué)者認為視網(wǎng)膜是比虹膜更為惟-的生物特征。視網(wǎng)膜是--些位于眼球后部十分細小的神經(jīng),它是人眼感受光線(xiàn)并將信息通過(guò)視覺(jué)神經(jīng)傳給大腦的重要器官。圖3為視網(wǎng)膜結構。視網(wǎng)膜掃描設備用來(lái)獲得視網(wǎng)膜圖像數據,使用者的眼睛與設備的距離應在15 mm之內,并且在讀取圖像時(shí),眼睛必須處于靜止狀態(tài),經(jīng)過(guò)預處理和特征抽取可獲得400多個(gè)特征點(diǎn),構成匹配模式和完成確認。視網(wǎng)膜是-種極其穩定的生物特征,因為它是“隱藏”的,不會(huì )被偽造,使用時(shí)不需要和設備進(jìn)行直接的接觸。缺點(diǎn)是視網(wǎng)膜掃描可能會(huì )給使用者帶來(lái)健康的損壞,也很難降低它的成本。2.3面部識別面部因人而異,絕無(wú)相同,即使雙胞胎其面部也存在某些方面的差異2”。與虹膜、視網(wǎng)膜等生物識別系統相比，面部識別系統更加直接、友好,使用者無(wú)任何心理障礙。撲捉面部圖像可采用視頻技術(shù)或熱成像技術(shù)。視頻技術(shù)通過(guò)-個(gè)標準的攝像頭攝取面部的圖像;熱成像技術(shù)通過(guò)分析由面部毛細血管的血液產(chǎn)生的熱線(xiàn)來(lái)生成面部圖像。獲取的面部圖像需經(jīng)預處理消除發(fā)型和化妝等因中國煤化工詩(shī)征包括臉部的輪廓,眼睛、嘴巴和鼻子的位置和形狀,眉毛的位置和形狀等幾CNMHG.抽取的特征參數值按預定的規則形成模式,在訓練階段建立標準模式庫,在識別頭現階段作為木知模式與進(jìn)行標準模式比較。在面部識別系統中,使用者面部的位置與周?chē)墓猸h(huán)境都有可能影響系統的準確性。2.4 指紋識別指紋具有終身不變性和惟-性,法律上已經(jīng)認定是人的物證之首[3]。指紋識別系統所抽取的特征有;8佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)第21卷虹膜視網(wǎng)膜角瞑眼神經(jīng)瞳孔玻璃體晶狀體圖3視網(wǎng)膜結構圖4面部特征示意圖全局特征和局部特征兩種。全局特征包括指紋的紋形、中心點(diǎn)、三角點(diǎn)和紋線(xiàn)數等,按照亨利分類(lèi)法,紋形可分為弓、箕、斗和雜四種基本類(lèi)型,中心點(diǎn)作為指紋獲取和匹配的參考點(diǎn),三角點(diǎn)至中心點(diǎn)的連線(xiàn)與指紋紋路相交的紋線(xiàn)數量稱(chēng)為紋線(xiàn)數。指紋識別除依據全局特征之外,還需要局部(細節)特征的位置、數量、類(lèi)型和方向才能惟-的確定。指紋紋路的端點(diǎn)、分支點(diǎn)、三角點(diǎn)、紋路圍成的小眼和橋等均可作為細節特征點(diǎn)4。如圖5所示。小橋上中心點(diǎn)小眼下中心點(diǎn).分支點(diǎn)一-- -小捧右三角點(diǎn).端點(diǎn)左三角點(diǎn)圖5指紋特 征示意圖采集指紋圖像的技術(shù)主要有光學(xué)取像技術(shù)和非光學(xué)取像技術(shù)兩類(lèi)。光學(xué)取像技術(shù)利用掃描儀或攝像頭等設備將捺印轉換為灰度圖像，或采用活體指紋攝入儀直接將手指指紋轉換為灰度圖像。非光學(xué)取像技術(shù)利用硅電容式、壓感式或溫度感應式半導體傳感器取得指紋圖像,或利用超聲波掃描設備取得指紋圖像。指紋是人體獨-無(wú)二的特征,并且它們的復雜度足以提供用于識別的足夠特征;但使用時(shí)留下的印痕存在被復制的可能性。3基于生理特征的生物識別3.1 簽字識別簽字作為身份驗證的手段已經(jīng)使用了幾百年,而且人們都很熟悉在銀行的表單中用簽字作為身份的標志。將簽字數字化是這樣-個(gè)過(guò)程,測量簽字圖像本身以及整個(gè)簽字的動(dòng)作。通過(guò)計算機把手寫(xiě)簽字的圖像、筆順、速度和壓力等信息與真實(shí)簽字樣本進(jìn)中國煤化工的真偽。對于簽字圖像,人們最先注意的是其中的端點(diǎn)交CYHCN MH G作為簽字識別的特征點(diǎn)，其反映了簽字的幾何變化:端點(diǎn)是筆劃的起筆或終筆;交義點(diǎn)是筆劃交義嚴生的特征;而彎曲點(diǎn)則表明筆劃在這點(diǎn)上方向有明顯的變化。圖6所示的簽字骨架中,特征點(diǎn)用圓點(diǎn)標示出來(lái)。簽字識別技術(shù)更容易被大眾接受而且是-種公認的身份驗證的技術(shù),主要應用于電子政務(wù)、電子商務(wù)、金融機構等領(lǐng)域。缺點(diǎn)是隨著(zhù)經(jīng)驗的增長(cháng),性情的變化與生活方式的改變，簽字也會(huì )隨之而改變。為了適應簽字的不可避免的自然改變,簽字識別系統在進(jìn)行正確判決的前提下必須學(xué)習后形成的習慣。第3期朱珍等:生物識別技術(shù)與 應用圖6簽字圖像的幾何特 征點(diǎn)3.2聲音識別不同人的指紋不同,與此類(lèi)似，每個(gè)人都有自己的發(fā)音器官特征以及講話(huà)時(shí)特殊的語(yǔ)言習慣,這些都反映在聲音信號中。聲音識別設備不斷地測量、記錄聲音的波形和變化。消除噪聲后通過(guò)LPC分析得到倒譜系數、差值倒譜系數、基音頻率及差值基音頻率等特征參數。聲音識別將采集到的聲音同登記過(guò)的聲音模式匹配,從而鑒別出講話(huà)人。聲音識別也是-種非接觸的識別技術(shù),用戶(hù)可以很自然地接受。但很容易被錄在磁帶上的聲音所欺騙,隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展,聲音識別系統將能夠拒絕錄制的聲音。4結論生物識別是基于個(gè)人獨特的生理和行為特征進(jìn)行自動(dòng)身份驗證的技術(shù),為信息化社會(huì )日益增長(cháng)的保密需求和安全需求提供一個(gè)很好的解決方案。目前，已出現了-些實(shí)用的生物識別產(chǎn)品,如:指紋鎖、指紋考勤系統等,正在逐漸形成-個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)。隨著(zhù)生物識別技術(shù)的不斷改進(jìn)和完善,在刑偵破案、證件驗證、要害部門(mén)入口控制、敏感信息訪(fǎng)問(wèn)控制等諸多方面將得到廣泛的應用,取代傳統的智能卡、鑰匙和密碼等,成為保密、安全、方便的身份驗證手段。參考文獻:[1]邊肇祺,張學(xué)工.模式識別[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.[2]張敏貴.生物特征識別及研究現狀[J].生物物理學(xué)報,18(2):156-162.[3] LEE Jeong Woo. 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The other establishes the behaviorfeatures : signature dynamics verification and voice verification.Key words: identity verification; biometrics; iris scans; retinal scans; facial feature recognition ;fingerprinting; signature dynamics and voice verification.